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Verfahren und Vorrichtung zum Eindampfen von Flüssigkeiten Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Eindicken hitzeempfindlicher Flüssigkeiten
durch Verdampfen, bei dem die einzudickende Flüssigkeit als Flüssigkeitsdampfgemisch
der Einwirkung des Heizdampfes unterzogen wird.
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Eine Reihe von Lösungen. die durch Verdampfen, z. z½. ihres Wassergehaltes,
eingedickt werden, ist gegen die Verdampfungshitze sehr empfindlich; dies trifft
besonders für Flüssigkeiten mit organischen Bestandteilen, wie z. B. Milch. Sahne,
Milcherzeugnisse, Fruchtsäfte u. dgl.. zu. Wenn die darin enthaltenen organischen
Stoffe einer hohen Erhitzung ausgesetzt werden, damit sie möglichst schnell eingedickt
werden, so besteht die Gefahr, daß sich die Verdampfungsrohre innen mit einer Kruste
der verbrannten organischen Stoffteilchen überziehen. Abgesehen davon, daß die Verkrustung
der Verdampfungsrohre den RVärmedurchgang des Heiæmittels durch die RVandungen der
Verdampfungsrohre verschlechtert, beeinträchtigt sie auch den Geschmack der einzudiclienden
Flüssigkeit, weil diese unangenehme Geschmackstoffe aus den verbrannten verkrusteten
Teilchen herausziehen.
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Verdampfungsverfahren und-vorrichtungen für hitzecmptindliche Flüssigkeiten,
bei denen die einzudickende Flüssigkeit als Flüssigkeitsdampfgemisch der Einwirkung
des Heizdampfes ausgesetzt wird, sind an sich bekannt.
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S@ wird beispielsweise bei einer bekannten, aus mehreren Isammerll
mit Verdampfungsrohren mit zwischengeschalteten Mischkammern bestehenden Verdampfungsvorrichtung
die einzudampfende Flüssigkeit in die erste Verdampfungskammer eingeleitet und darin
wie auch beim Durchgang durch die anderen Verdampfungskammern durch den Heizdampf
in ein Flüssigkeitsdampfgemisch umgewandelt. Dieses Verfahren hat den Nachteil,
daß die einzudampfende Flüssigkeit die hocherhitzten Verdampfungsrohre benetzt und
ihre organischen Bestandteile die Rohrwandungen verkrusten.
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Eine andere bekannte Verdampfungsvorrichtung arbeitet nach dem sog.
Umwälzverfahren und sucht durch die Verwendung eines an einen Verdampfer mit senkrechten
Verdampfungsrohren angeschlossenen Nebenverdampfers, durch den die einzudampfende
Flüssigkeit mittels einer Umwälzpumpe und über ihrer Siedepunkt erhitzt hindurchgeschickt
wird, die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit zu erhöhen. Durch die beim Austritt
aus dem Nebenverdampfer erfolgende Entspannung soll die einzudickende Flüssigkeit
den Heizrohren als Flüssigkeitsdampf gemisch zugeleitet werden. Auch dieses Verfahren
leidet
unter dem Nachteil, daß die Verdampfungsrohre des Nebenverdampfers innen verkrusten,
weil die heißen Itohnvandungen ron der Flüssigkeit bespült werden.
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Andere bekannte Verdampfungsvorrichtungen arbeiten wiederum nach
demiRiesel-oder Filmverfahren, d. h. die einzudickende Flüssigkeit wird in Form
eines dünnen Schleiers oder Filmes, die Innenwandungen der Verdampfungsrohre benetzend,
durch die Verdampfungsrohre hindurchgeschickt. Auf diesem Wege bildet sich zwar
ein Flüssigkeitsdampfgemisch, das mit hoher Geschwindigkeit durch den restlichen
Teil der Verdampfungsrohre strömt, aber die Gefahr einer Verkrustung der in Form
eines Flüssigkeitsschleiers oder -filmes benetzten Teile der Verdampfungsrohre wird
dadurch nicht beseitigt.
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Die Erfindung bezweckt, diesen Atangel der bekannten Verfahren zu
beseitigen und ein Verfahren zu schaffen, bei dem die organischen Bestandteile der
einzudickenden Flüssigkeit trotz hoher Verdampfungshitze keine Beeinträchtigung
erleiden, Verkrustungen der Verd'ampfungsrohre daher nicht stattfinden und bei dem
der Eindampfungsvorgang nur möglichst kurze Zeit dauert.
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Die Erfindung sieht deshalb ein Verfahren vor zum Eindicken hitzeempfindlicher
Flüssigkeiten durch Verdampfen, bei dem die einzudickende Flüssigkeit als Flüssigkeitsdampfgemisch
der Einwirkung - des Heizdampfes unterzogen wird, dessen erfinderische Kennzeichen
darin bestehen, daß die erhitzte einzudickende Flüssigkeit, bevor sie in bekannter
ÄVeise durch Einführung in Verdampfungsrohre in Einzelströme zerlegt durch die Erhitzungszone
geführt wird, fortlaufend in ein Gemisch von Dampf und Flüssigkeit umgewandelt wird,
indem sie als vorerhitzte Flüssigkeit in eine den Verdampfungsrohren vorgeschaltete
Ausdehnungskammer aus einem engen Rohr entspannt wird, das Flüssigkeitsdampfgemisch
sodann in bekannter Weise mit hoher Strömungsgeschwindigkeit durch lange Verdampfungsrohre
geleitet in einen Sammler entladen wird, aus dem die eingedampfte Flüssigkeit stetig
abgepumpt wird.
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Die Erfindung kennzeichnet sich weiterhin dadurch, daß die aus dem
Sammler aligezogene eingedickte Flüssigkeit in einer zlveiten Stufe einem gleichen
Verfahren (gemäß dem Anspruch I) unterzogen wird.
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Zur Durchführung der vorgeschlagenen Verfahren sieht die Erfindung
weiterhin eine Eindampfungsvorrichtung mit mehreren senkrechten langen, in einem
Dampfheizraum liegenden Verdampfungsrohren und einer vor diesen Rohren liegenden
Ausdehnungskammer und einem hinter ihnen liegenden Sammler für die eingedickte Flüssigkeit
vor, deren erfinderische Kennzeichen darin bestehen, daß am Boden des Sammler eine
tiefliegende Flüssigkeitspumpe mit ausgesprochen abfallender Leistungskurve unter
Schwerkraftzufluß angeschlossen ist.
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In der Zeichnung ist Fig. I eine Seitenansicht, die eine doppelstufige
Verdampfungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung darstellt.
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Fig. 2 ist ein Kurvenschaubild, das die Charakteristik der für das
Abführen der Flüssigkeit aus einem derartigen System verwendeten Pumpengattung zeigt.
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RVenn zwar in Fig. I eine doppelstufige Eindampfungseinrichtung dargestellt
ist, so kann na'türlich auch die Erfindung in bestimmten ihrer Kennzeichen in einer
einstufigen oder in einer mehrstufigen Vorrichtung durchgeführt werden, wenn dies
erwünscht ist. Die beiden in der Zeichnung dargestellten Stufen sind mit A und B
bezeichnet und sind als in gleicher Weise durchgebildet dargestellt. Jede Stufe
besteht aus einer Anzahl Verdampfungsrohre I0, die ein Dampfraum 11 umgibt.
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Dieser ist durch Rohrplatten 12, 13 abgeschlossen. Die Umhüllung des
Dampfraumes II besteht aus einem mit Endwandungen i6 und I7 verbundenen Mantel 14.
Die Innenränder der Endwandungen 16 und 17 sind ihrerseits mit Verlängerungen 18
und 19, welche die Rohrplatten I2, I3 tragen, verbunden. Innerhalb des Mantels 14
sind die Rohre noch von einem Gehäuse 20 umhüllt, dessen oberes Ende kurz unterhalb
der Endwandung I6 liegt und dessen unteres Ende die Verlängerung 19 bildet. Diese
Ausführung ist in der Lage, Spannungen auszugleichen.
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Unmittelbar über der Endwandung I7 hat das Gehäuse Offnungen 15 zum
Abziehen des Kondensats. Die obere Seite der Rohrplatte 12 ist von einem Kopf 21
umgeben, der als Einlaßkammer 22 ausgebildet ist. Unterhalb der Rohrplatte I3 ist
eine Leitung 23 mit Auf laß 2S angeschlossen, die Dampf und Flüssigkeit in den Sammler
24 fördert. Der Sammler ist als Trommel von angemessener Größe ausgebildet und hat
eine Dampfabführleitung 26 und unten eine Flüssigkeitsabführleitung 27.
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Die Auslaßöffnung 28 ist oberhalb einer geneigten Trennrinne oder
Abzugsmulde 29 angeordnet. Die Mulde 29 hat mit Abstand nebeneinanderliegende Rippen
30, um eine wirksame Trennung der abgeführten Flüssigkeit vom Dampf zu erzielen.
Dic abgetrennte Flüssigkeit wird gezwungen, auf der Mulde 29 abwärts in den unteren
Teil des Sammler 24 ZU fließen.
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In den Dampfraum 1 1 führt eine Dampfleitung 31. Der Kammer 22 wird
durch ein Rohr 32 das Eindalnpfgut zugeführt. Infolge der Anordnung des Gehäuses
20 fließt der
einströmende Dampf aufwärts zwischen dem Mantel 14
und dem Gehäuse 20 nach innen über das obere Ende dieses Gehäuses und dann nach
unten durch die zwischen den Rohren 10 vorhandenen Räume. Auf diese Weise wird der
Dampf wirksam in Berührung mit den Rohren gebracht; tote Räume werden dabei vermieden.
Das I(ondensat fließt in die untere Verlängerung 19 ab und wird von dort an einer
unmittelbar oberhalb der Rohrplatte 13 liegenden Stelle durch ein Rohr 33 abge zogen.
Um nicht kondensierbare Bestandteile zu entfernen, ist ein aufwärts stehendes Rohr
34 angeordnet. Dieses Rohr geht im mittleren Teil der Rohrplatte 13 nach oben und
steht durch Löcher im Innern mit dem Dampfraum in Verbindung. Außen ist das Rohr
34 an ein Rohr 35 angeschlossen, das zu einer Abfiihrvorrichtung führt. Der Dampfraum
hat weiterhin ein Rohr 36, das zur Entlüftung für die Kondensatpumpe dient.
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Zwecks Verbindung zweier Stufen miteinander ist eine Pumpe 38a vorgesehen,
deren Einlaß über eine Leitung 27 mit der ersten Stufe und deren Auslaßleitung 39
mit dem Kopf 21 der zweiten Stufe in Verbindung steht. Eine Pumpe 38b erhält Flüssigkeit
aus der zweiten Stufe entweder zur endgültigen Abführung oder zur Führung in eine
weitere Stufe. Die Dampfabführleitung 26 aus der ersten Stufe geht in den Dampfraum
der Stufe B, und die entsprechende Leitmog 41 der zweiten Stufe führt an Kondensator,
beispielsweise einen Einspritzkondensator Die Kondensatorleitungen 33 beider Stufen
könnten zu Kondensatpumpen führen, die durch Rohre 36 entlüftet werden, während
die Rohre 35 mit dem Strahlkondensator oder mit einer Luftpumpe zum Abziehen der
nichts kondensierbaren Bestandteile in Verbindung stehen können.
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Wird eine Verdampfungsvorrichtung der beschriebenen Gattung mit I'umpen
betrieben, die übliche Leistungskurven aufweisen. so hat die selbsttätige Regelung
- um ständige und sorgsame Handwartung zu vermeiden -Schwierigkeiten. Handregelung
der verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten ist gleichfalls schwierig, da Abweichungen
von den Bestbedingungen schwer feststellbar sind und dann Beschädigungen des einzudickenden
Stoffes, ungenügender Wirkungsgrad oder Verkrustung der Verdampfungsrohre eintreten.
Es hat sich gezeigt, daß bei Betrieb unter Bestbedingungen die Neigung zur Verkrustung
der Verdampfungsrohre auf ein Älindestmaß zurückgeführt wird, so daß häufige Stillsetzungen
zur Reinigung der Vorrichtung vermieden werden. Die angeführten Mängel treten jedoch
um so stärker auf, wenn bis nahe an den Siedepunkt erhitztc Flüssigkeit bei hohem
Vakuum behandelt wird.
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Bei der neuen Vorrichtung wird durch die Pumpen 38a und 38b, deren
Leistungskurve mit der Zunahme der Fördermenge abnimmt, eine zwangsläufige Regelung
erzielt. Fig. 2 zeigt die Leistungskurve I einer derartigen Pumpe, im Vergleich
hierzu die Leistung kurve 2 einer gewöhnlichen Zcntrifugalpumpe.
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Die Pumpen 38a und 381, sind unterhalb des zugehörigen Sainmlers
24 angeordnet, so daß ihnen die Flüssigkeit durch die Schwerkraft über das'Rohr
27 zugeführt wird. Angenommen, die Menge der Flüssigkeit im Sammler 24 nimmt ab,
so tritt ein entsprechendes Absinken der Höhe der Flüssigkeit in der Leitung 27
mit einer entsprechenden Abnahme der Leistung der Förderpumpe 38a ein. Da diese
Pumpe infolge ihrer abfallenden Förderhöhenleistungskurve gegenüber einem Wechsel
der Einlaufförderhöhe schwankend ist, so geht die Pumpenleistung sofort zurück und
verhindert auf diese Weise einen weiteren Abfall des Flüssigleitsspiegels in der
Leitung 27. In entsprechender reise nimmt, wenn die Flüssigkeitshöhe in der Leitung
27 infolge einer Zunahme der vom Sammler 24 aufgenommenen Flüssigkeitsmenge steigt,
die Leistung der Pumpe 3Sa zu, so daß zu jeder Zeit der Sammler 24 im wesentlichen
gänzlich frei von Flüssigkeit ist. In entsprechender Weise arbeitet die Pumpe 38,
wenn die Sammler unter Vakuumverhältnissen gehalten werden, wie dies gewöhnlich
der Fall ist.
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Die Einlaßöffnungen und Durchgangsrobre 27 der Pumpen 3Sa und 38b
sollteii verhältnismäßig groß sein, um ein Mindestmaß an Fließwiderstand und niedrigen
Fließgeschwindigkeiten zu geben, da die Flüssigkeit sich an ihrem Siedepunkt oder
nahe daran befindet.
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Auch ist es wünschenswert, l-'umpen, die Stoffbuchsen mit Sperrflüssigkeit
oder mit Druckpackung besitzen, anzuwenden, um das Einziehen von Luft zu verhindern.
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Das Verfahren spielt sich in der beschriebenen Vorrichtung folgendermaßen
ab.
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Angenommen, es soll Milch eingedampft werden; diese wird auf einen
bestimmten, geregelten Wärmegrad vorerhitzt und bei annähernd gleichbleibendem Druck
der ersten Stufe der Anlage durch die Rohre 32 zugeführt. Sie gelangt zunächst in
die Ausdehnungskammer 22, in der ein geringerer Druck herrscllt als der Dampfdruck
der zugeführten Milch; infolgedessen tritt in der Kammer 22 sofort eine derart starke
Ausdehnung der Milch ein, daß sich ein Flüssigkeitsdampfgemisch darin bildet. Dieses
Gemisch @ erteilt sich nun auf die einzelnen Verdampfungsrohre I0, fließt durch
diese abwärts und nimmt weitere Wärmemengen aus dem in dem
Raum
11 eingeführten Heizdampf auf. Bei der dabei stattfindenden stürmischen Verdampfung
des Wassers und der außerordentlich hohen Steigerung der Fließgeschwindigkeit wird
die Milch in Form feinen Nebels vom Dampf mitgerissen und in den Sammler 24 mitsamt
diesem entladen. Im Sammler 24 wird die eingedickte Flüssigkeit von dem Dampf getrennt,
wobei der Dampf durch die Leitung 26 der zweiten Stufen und der eingedickte Stoff
durch die Leitung 27 der Pumpe 38a zugeführt wird, um in den Kopf 21 der zweiten
Stufe gefördert zu werden.
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In der zweiten Stufe B wiederholt sich das Verfahren. Die Kondensation
des Dampfes aus dem Sammler 24 der ersten Stufe in der zweiten Stufe dient dazu,
eine geeignete Betriebsluftleere für die erste Stufe aufrechtzuerhalten. während
eine niedrige Luftleere in dem Sanunler 24 der zweiten Stufe aufrechterhalten bleibt
infolge der I(ondensation des durch die Leitung 41 zum Kondensator abgeführten Dampfes.
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Bei dem neuen Verfahren hat der Dampf am Einlaßende des Rohres einen
beträchtlichen Grad von Überhitzung, die auf die ganze Länge des Rohres aufrechterhalten
wird. Ebenso befindet sich die Flüssigkeit auf annähernd der ganzen Länge des Rohres
in Nebeltorm. der sich mit hoher Geschwindigkeit dem Auslaß zu durch einen Bereich
von ständig abnehmendem statischen Druck bewegt. Auf diese Weise bringt jede Zunahme
der fortschreitenden Bewegung eines Flüssigkeitsteilchens dieses in einen Bereich,
in welchem der Druck unter einen Druck reduziert ist. der dem'Siedepunkt des Teilchens
entspricht, wodurch das Teilchen zu weiterer Dampfentwicklung veranlaßt wird, um
ein Sättigungsgleichgewicht hervorzurufen. Auf diese Weise befindet sich der Dampf
an jeder beliebigen Stelle des Rohres in einem Zustand der Überhitzung mit einer
beständigen Neigung zur Gleichgewichtsherstellung bezüglich der benachbarten Flüssigkeitsnebelteilchen.
Mit anderen Worten, es werden infolge der Geschwindigkeit des Nebels und des Dampfes
durch das Rohr bei gleichzeitigem fortwährenden Wärmeübergang durch die Rohrwände
hindurch und durch den von einem Rohrende zum anderen fortschreitenden Druckabfall
labile Gleichgewichtszustände aufrechterhalten, so daß eine gesteigerte Verdampfung
bei hoher Geschwindigkeit erzielt wird.
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In der Praxis erzielt man gute Ergebnisse mit Rohren von einem Innendurchmesser
von ungefähr 32 mm bei einer Länge von ungefähr 3½ bis 3 3/4 m. Bei einem Ausführungsbeispiel
mit derartigen Rohren betrug die Dampfgeschwindigkeit an dem Auslaßende der Rohre
ungefähr 36,5 m je Sekunde in der ersten Stufe. Das Verhältnis von Dampf zu Flüssigkeit
(an den Auslaßenden) war derart, daß das Dampfvolumen ungefähr 930mal größer war
als das Volumen der Flüssigkeit und die Flüssigkeit, weiche in den Kopf 21 eintrat,
hatte eine Wärme, die ungefähr 9° höher war als der Siedepunkt. der dem Druck in
der Kammer 22 entsprach. Bei dem gleichen Ausführungsbeispiel und für die erste
Stufe betrug der Druck in der Kammer 22 ungefähr 380 mm Quecksilber bei einem Druck
von ungefähr 290 mm Quecksilber im Sammler 24. In der ersten Stufe wurden I50 Rohre
verwendet; die n den Kopf 21 eingeführte Flüssigkeitsmenge betrug ungefähr 0,005
cbm je Sekunde. Die Rohre stellten einen Gesamtinhalt von rund 0,433 cbm dar oder
ungefähr das 86,5fache der vorhandenen Flüssigkeitsmenge: In der zweiten Stufe nahm
die Dampfgeschwindigkeit durch die Rohre stark zu. Bei dem erwähnten Ausführungsbeispiel
war die Geschwindigkeit des Dampfauslasses aus den Rohrenden mehr als sechsmal so
groß als die vergleichbare Geschwindigkeit der ersten Stufe.
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Die Überhitzung des Dampfes innerhalb der Verdampfungsrohre wird
sofort auf gehoben, sobald der Dampf und der mitgerissene Nebel in den Sammler 24
entladen werden. Hierbei tritt eine weitere Flüssigkeitsverdampfung ein.
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Außer daß die Pumpen 38, und 38b eine zwangsläufige Regelung (wie
vorher beschrieben) sichern, machen sie es auch möglich, die Vorrichtung mit einem
Mindestmaß von flüssigem Stoff zu betreiben, der in den verschiedenen Stufen behandelt
werden soll. Bei der Behandlung organischer flüssiger Stoffe, wie beispielsweise
Milch oder Milcherzeugnisse, die durch Wärmebehandlung schädlich beeinflußt werden
können, wird es hierdurch möglich, die Zeit, während der der flüssige Stoff der
Verdampfung unterworfen wird, abzukürzen.
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-Mit dem neuen Verfahren und der vorgeschlagenen Vorrichtung erzielt
man einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad und äußerste Einfachheit der Eindampfungsvorrichtung.
Die Verkrustungen der Innenwan-(lungen sler Verdampfungsrohre sind auf ein Mindestmaß
beschränkt. Das Verfahren ermöglicht die Eintlickung bei einem cinzigell Durchgang
durch die Anlage, wobei verhältnismäßig kleinc Flüssigkeitsmengen in der Zeiteinheit
durch die Verdampfungsrohre gehen. Wichtig ist fernerhin, daß der Sammler der Anlage
während des Betriebes praktisch frei von der eingedickten Flüssigkeit ist. so daß
Schaumbildung vermieden wird.